在3D中建模旋转机的指南

在一个以前的博客条目，我们向您展示了如何使用旋转机（如电动机和发电机）建模旋转机械，磁性comsol多物理学中的接口。今天，我们将通过3D Generator模型示例演示我们概述的步骤，并将结果与​​类似的2D模型进行比较。也突出显示了部门对称性和周期性边界条件的概念，包括说明其使用的示例。

模型示例：永久磁铁交流发电机

出于我们的目的，我们将专注于永久磁铁发电机教程，可在我们的应用程序库中找到。这个2D示例可以以0.4 m的发电机堆栈长度在3D中扩展。由于几何形状是关于转子轴的对称的，因此我们可以通过简单地求解其一部分来检索完整3D几何的结果。这意味着只能解决原始几何形状的1/16。

左：发电机的3D示意图，切口显示转子，定子和定子绕组。右：来自两个不同视图的3D几何形状的一部分。

左：2D中交流发电机的横截面几何形状。右：交流发电机的扇区几何形状。

建模3D旋转机器的重要步骤

使用上面讨论的3D扇区几何形状，我们将突出显示建模旋转机的关键步骤。对于此交流发电机示例，选择3D建模空间，然后选择旋转机械，磁性接口和固定研究类型。接下来，定义你的参数，包括长度，扇区数量，电线直径和RPM。

AC发电机的仿真中包含参数。

几何学

旋转的磁性机器由两个部分组成：定子和一个转子。因此，当对这样的机器进行建模时，必须将其几何形状切成两个部分。这通常是通过将零件之间的气隙拆分来实现的。为不同地区形成了两个单独的工会。形式组件用于最终确定几何形状，自动创建身份对定义。在3D中，在定子端绕组周围添加空气区域以捕获边缘场。（2D模型未捕获此元素。）

几何序列中的转子和定子域的工会。

通过形式组装完成几何形状时，用于分离定子和转子域的身份对设置。在域和边界的各种选择中显示定义节点。

定义

在里面定义分支，定义几何实体的选择，例如域或边界。在这里，我们有：

• 定子线圈
• 永久磁铁
• 旋转域
• 固定域
• 周期性BC：转子
• 周期性BC：定子

这些选择在整个模型组件中都重复使用，以用于物理，网格和后处理。在同一分支中，您还可以定义用于在物理设置中使用的坐标系。

旋转机械，磁性界面

这旋转机械，磁性接口使用两种方法（混合配方）来求解麦克斯韦的方程：磁矢量电势（MVP）和磁标势（MSP）。在磁场和磁场，没有电流界面分别。

MSP公式引入较少的自由度，并确保与一对特征（例如连续性或者部门对称性。因此，重要的是通过MSP解决身份对的两侧的空气区域。您可以通过利用磁通量保护功能中的功能旋转机械，磁性界面。

MSP和MVP区域以及身份对边界。

在左侧的上图中，用MVP对定子线圈，定子铁和空气区域进行建模。转子铁，永久磁铁和转子的空气区域以及定子空气区域的一部分是用MSP建模的。使用此设置，您可以与整个MVP区域建模Ampère的定律特征。由于MVP配方允许携带电流域，因此可以为诱导的涡流的定子铁区建模并计算涡流损耗。但是，对于转子铁，这是同样的，因为它是MSP公式，并且明确假设该区域没有电流。如果您希望计算定子和转子铁上的涡流损失（或者在转子中有其他导电域），则还必须为具有MVP的那些区域求解，如右上图所示。

对于这两种配置，MSP区域都是简单地连接的。换句话说，它们不包括任何MSP区域，该区域包含“链条”电流导体的封闭环。下面的说明是一个无效的拓扑示例，其中为整个空气区域分配了MSP。MSP区域中的封闭曲线“链”一个载有电流（定子线圈）的MVP区域。应该避免这样的拓扑问题。

MSP区域不简单连接的无效拓扑。

让我们从MSP开始。首先，添加第一个磁通量保护功能，并将其分配到身份对旁边的转子侧的空气区域和定子侧的空气区域。本构之间的关系设置为与线性材料一起相对渗透性，引用空气物质中的材料材料节点。

用MSP对空气区域进行建模。

在下一步中，添加另一个磁通量保护功能并将其分配给转子铁。在本构之间，您可以将其设置为具有有限（常数）渗透率的线性材料，也可以使用该材料将其更改为非线性材料B-H曲线选项。B-H曲线通常在材料例如，节点在软铁（无损失）。此外，非线性饱和曲线可以通过外部定义外部材料特征，在材料节点下全球定义。

在转子中建模线性或非线性磁性材料。

在对永久磁体区域进行建模时，您可以使用磁性通量保护功能来进行。构成关系设置为远程通量密度或者磁化。圆柱系统用于在径向方向上分配磁化。

转子中的永久磁铁建模。

要建模定子线圈，请使用多转线线圈特征。设置线圈以测量绕组中的开路电压（电流为零）。通过指定适当因素（在我们的情况下，16）获得总线圈长度线圈长度乘法系数，在几何分析多弯线圈功能中的子节点。下一步涉及指定定子线圈两端的输入和输出边界条件。

用多转线线圈特征对定子线圈进行建模。还显示了几何分析子场以及输入和输出边界条件的设置。

为了建模定子铁地区，让我们在模型中添加另一个Ampère的定律功能。本构之间的关系可以使用有限的渗透率将其设置为线性材料相对渗透性或更改为非线性磁性饱和曲线H-B曲线选项。与转子铁相似，H-B曲线通常在材料节点。但是，如果您的定子和转子中有不同的材料，则需要在材料节点。

将Ampère的定律应用于定子铁地区。线性和非线性材料选项均突出显示。

为了获得更大的数值稳定性，您可以应用量规固定A场每个向量电位域的特征。假设您的MVP区域完全封闭在MSP区域内。或者，也许是固定的域及其边界是几何形状的内部，并且没有接触磁性绝缘边界条件。在这两种情况下，量规固定至少需要限制一个点。为了实现这一目标，启用确保对价值的限制复选框高级设置功能部分。仅在高级物理选项部分在展示按钮，在模型构建器中找到。本教程提供进一步的见识。

此外，对于数值收敛，您还需要使用非零的电导率。例如，这可能是10 s/m材料节点（空气和软铁），其中MVP用于求解域。

在为各个区域添加了几个功能之后，默认的Ampère定律现在仅适用于使用MVP解决的定子空气区域。默认混合配方边界条件自动在MSP和MVP区域之间的接口处施加适当的条件。

左：默认安培定律的域选择。右：默认混合配方边界条件的边界选择。

现在，让我们将定期条件应用于将几何形状切成扇区所产生的边界。如果所有部门完全相同，请选择连续性。如果扇区具有相同的几何形状，但是它们的激发（即永久磁铁或电流）会在相邻扇区中改变标志，请选择反碘。后者是AC发电机示例的情况，在该示例中，相邻扇区具有替代磁化。建议您使用两个独立的周期性条件功能，一个用于定子，另一个用于转子，以确保正确检测到周期性的边界。

转子和定子区域使用单独的周期性条件。

应用部门对称性将条件与连接转子和定子连接的配对。在“设置”窗口中，指示扇区的数量和周期性类型（与周期条件下指定的类型一致）。部门对称性像这样的工作连续性对在转子和定子重叠的区域中，在非重叠部分上应用环状对称条件时。

针对反碘条件的扇形对称设置。

为了使求解器收敛，您需要用于MSP的唯一解决方案。您可以通过添加一个零磁标势到MSP区域的一个点。如果您碰巧有两个单独的MSP区域（即，一个在定子中，一个在转子中），则必须将一个点约束应用于每个区域。

点约束设置。

最后，使用使用该转子的旋转运动规定的旋转或者规定的旋转速度特征。前者用于指定旋转角度，这可能是时间的函数。后者用于进入恒定角速度，角度随时间的函数线性增加。

围绕转子域的规定旋转z-轴。

网hing

每当您的模型中有周期性条件时，网格必须在源和目的地边界上相同。最初，游离三角形或者映射网格应应用于源边界。然后，使用复制脸功能，您可以将相同的网格复制到目标边界。

此外，要准确地绘制从源对身份对中的源数量到目标边界的映射，需要在目标侧（旋转边界）上比源侧（固定边界）有一个更好的网格。为了获得完全控制，分别隔离表面很有帮助。

通过使用扫过或者映射网只要可能，您就可以显着减少网格元素的数量。首先将自由三角网格施加到多弯线圈特征的一端，并将扫描的网格应用于整个线圈区域。类似地，扫射网格也用于定子和转子之间的空气区域的一部分。

左：在周期性条件下复制源和目的地边界的面部功能设置。右：3D发电机扇区模型中使用的最终网格。

求解器设置

这旋转机械，磁性接口支持两种类型的研究步骤：固定和与时间相关。对于时间依赖的模拟，至关重要的是具有与物理情况相对应的准确初始值。例如，如果您的模型中有一个永久磁铁，则必须首先使用解决方案作为时间依赖性研究的初始值解决固定步骤。

对于3D AC发电机行业，我们以三个不同的步骤进行了研究：

1. 线圈几何分析：计算多转线线圈中使用的数字线圈类型的线圈电流方向
2. 固定：计算转子永久磁铁产生的静态磁场
3. 与时间相关：执行发电机的瞬态模拟，并用上一个步骤用作初始值的解决方案

改善模拟性能

您可以通过选择应用于模型的有限元网格的不同离散订单来改善仿真性能。对于MVP和MSP，默认离散顺序是二次的。但是，将离散化顺序设置为线性可以大大减少计算时间。

要修改离散订单，您首先需要启用离散化通过单击展示按钮。然后可以通过旋转机械，磁性一个或两个因变量的接口：MVP和MSP。

结果

解决后，您可以使用部门2d和部门3D数据集。要添加扇区数据集，请右键单击数据集在下面结果节点。指定扇区的数量，以及模型是否为反膜。接下来，选择旋转时反转相复选框先进的部分。使用此数据集的任何图都将显示完整的几何形状。如果您有带镜像对称的模型，例如此处讨论的示例，则可以使用镜3D数据集以获取完整模型另一半的解决方案。请注意，可以在扇区3D数据集之前或之后添加镜像3D数据集。

可以使用变量直接评估定子线圈中的诱导电压rmm.vcoil_1，在全球情节在下面1D情节组。为了获得2D扇区模型的定子线圈中的总诱导电压，您必须将变量乘以扇区数（八个）。这是通过3D扇区模型通过的线圈长度乘法系数。

左：旋转过程中扇形模型中的磁通量密度（T）和场线。右：使用扇区2D数据集重建的完整几何形状。红线表示部门几何形状的不同拷贝之间的分离。

左：永久磁铁和铁中的磁通量密度（体积和箭头体积），以及扇区模型的定子线圈中的电流密度（灰度），t = 0.01 s。右：使用Mirror 3D和Sector 3D数据集重建的完整几何形状。

左：使用非线性磁性材料和二次网格元件在2D扇区模型中诱导的定子线圈电压。右：使用非线性磁性材料和线性网格元件在3D扇区模型中诱导的定子线圈电压。

下一步

• 下载此处介绍的教程模型，然后尝试一下：
• 2D和3D中的发电机扇区
• 2D中的发电机
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